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acatech:科技事实不支持对水力压裂的禁止

编者按:水力压裂,通常也被称作压裂。作为一种关键的必备技术,其在经济和能源领域有两项重要应用,一是页岩层非常规天然气的开发,二是地下深部干热岩热能的利用。与此同时,水力压裂也是一种在政治家和一般公众中存在很大争议的技术。为此,由德国地学中心(GFZ)前科学执行董事(Scientific Executive DirectorRolf Emmermann领导的德国国家科学与工程院(German National Academy of Science and Engineeringacatech)的项目团队,从科学和技术两个方面对水力压裂方法、风险和效益进行了全面评估,以期能够扩展相关可用信息,使有关争论客观化,从而使决策者和民众能够形成自己的观点。该项研究于2015年完成,近日英文版研究报告发布。尽管目前德国政府已经决定无限期禁止页岩气水力压裂,但从科学研究和决策咨询的角度来看,该报告仍不失科学性和客观性。在此,我们对其主要内容做一简要介绍,以期对我国的页岩资源开发利用有所借鉴和参考。

1  德国能源转型与资源和气候政策背景下的水力压裂

德国的能源转型、欧洲和国际的气候政策,以及全球能源资源的可及性构成了德国天然气和深部地热能开发所面临的整体形势。能源转型将是德国未来10年所必须面临的一项关键挑战。在这一进程中,技术进步和技术竞争力将发挥重要作用。只有政治精英和工业界、科学界以及公众联合起来寻找合适的解决方案,并制定正确的实现路径,才能满足能源转型的要求。

在未来10年,化石能源毫无疑问仍将在德国能源供应系统中占据重要地位。目前,天然气在德国一次能源需求中占22%的比重。虽然德国在2012年生产并供应了国内13%的天然气。但是,未来10年,德国国内的天然气储量将被耗尽。如果不开发非常规页岩气,德国的天然气供应将完全依赖进口。而如果德国能够利用水力压裂技术开发页岩气,其在未来10年仍然有可能保持目前的天然气供应水平。

同时,在所有的可再生能源中,地热能是生态足迹最小的能源,其能够长期提供基本电力。德国的大多数地热能存储在深部的干热岩中,又称增强型地热系统(EGS)。即使利用目前的技术,这下能源已经可以覆盖德国的电力和热力需求。如果对地热资源热交换开发技术进行适当资助和研发,这一潜力将大幅增加。

但是,整体而言,无论是页岩气开发,还是深部地热能开发,没有水力压裂是无法进行的。

2  水力压裂与环境

2.1  全球

水力压裂是一种成熟技术,全球已经进行了300多万次压裂作业。20世纪40年代末,为了提高常规油气藏的生产率,油气行业开发出了水力压裂技术。此后,水力压裂技术发展为开采低渗砂岩或碳酸盐岩(致密气或致密油)中油气资源的一项关键技术。1961年,德国开始使用压裂技术,最近几十年,该技术主要被用于开采深部致密气。

常规情况下,油气在上地壳运移,而后聚集在圈闭中。相比之下,页岩气仍存储在其形成时的源岩中。这些非常规油气资源在美国一些地区分布广泛,而全球其他地区也有分布——有时数量还相当可观。这些资源通常会有一个较大的横向展布,因此需要以直井技术结合水平钻井技术进行开采。

现在,经常会遇到对水力压裂的公然反对,这部分归因于媒体对美国页岩气开发中相关事件的报道,但这些事件发生地往往已经进行了至少十几年的大规模压裂作业。总体而言,与压裂有关的环境风险主要有:由于意外或技术故障,污染物从地表渗入地下水层;作业过程中,有毒或环境有害物质和甲烷被释放出来,最终上升至地表;污染物从已压裂岩石中逸出,运移至地表;以及向大气中排放的甲烷。其他一些担忧还包括:压裂所需的大块土地,作业过程消耗的大量水,以及备受关注的诱发地震。

2.2  德国

在德国,有关水力压裂的争论中,地下水保护是一个特别重要的问题。在这一讨论中,地下水和饮用水通常被当作同义词来处理。但是,一旦地下深度超过50到几百米这一范围(依赖于区域地质情况),自然形成的地下水并不适合饮用,也不易进行经济利用。通常情况下,这些地下水含有高浓度的盐分30%更多),高浓度的微量金属元素,有时也会含有一些天然放射性物质。因此,对于可用的浅层地下水、不具开采可能性的深部咸水或盐水等需要有一个明确的界定。

到目前为止,德国还没有出现与水力压裂有关的环境事件报道。这与德国高标准的综合管理密不可分——主要涉及井场与生产设施的设计和监测,深部井的完井及压裂作业的实施等。众所周知,压裂液由97%~99.8%的水和0.2%~3.0%的添加剂组成。但在德国,用于致密气开发的化学添加剂的数量已经下降至30,对于页岩气开发而言,很可能限制在2~3种。

在页岩气或地热开发过程中,注入流体产生裂缝将不可避免地产生诱发地震或微小地震事件。但是,在地表一般很少感觉到这些地震事件。这些地震的震级和频率主要依赖于具体的地质特征和技术参数。因此,需要根据当地的地震灾害分析结果来进行压裂作业,最终发展出针对流体注入过程的相关标准,进而限制在地表能感知到的微地震活动的震级,同时尽可能地改善储层的渗透性。

3  公众感知和社会争论

在一个开放社会中,水力压裂的使用需要得到受压裂作业影响的居民的同意。因此,确保规划和审批程序透明,与直接相关者就必要措施进行全面沟通,以及民众在规划过程的积极参与等将十分必要。试点项目将能够很好的展示和解释压裂作业的技术过程,这有助于民众形成基本的信任,并感受到水力压裂能够带来的经济和生态效益。此外,这也有助于抑制过度期望,并培育良好的怀疑水平。

4  水力压裂的最佳实践建议

为了使水力压裂的环境风险最小化,德国国家科学与工程院的专家提出了一系列建议。

1)在每次作业之前,进行地下地质、地球物理和三维模拟分析。

2)对井场具体位置的钻探方案和风险进行评估,指定地下水保护区,确定饮用水和地层水的边界,确定构造断层的位置。

3)在试点项目之前和进行过程中,对近地表地下水、大气和自然地震活动进行长期监测。

4)公开压裂液添加剂及其相关数据,并尽力减少添加剂的数量,去除其中的潜在有害物质。

5)对返排液进行循环利用和再利用,以减少压裂过程中水的消耗。

6)采用丛式井进行开发,减少土地利用。

7)监测具体项目的地震活动,为裂缝延伸提供实时数据,并防止任何潜在地震灾害。

8)面向深部井的整个生命周期,建立油气井完整性管理系统。

9)对地上技术装置、油气井完整性和作业监测系统进行定期检查。

10)与媒体和公众进行透明、客观的沟通。

5  结论

科学和技术方面的事实并不支持对水力压裂的全面禁止。但是,其使用应该受到严格的安全标准约束,需有明确的规定和全面的监测。目前,德国已有涉及钻井、油藏工程和水力压裂的各种不同作业过程的高技术标准。如果要开发页岩气和深部地热能,还需对这些标准进行审视。

在目前情况下,试点项目(科学地进行监测)对水力压裂技术的应用具有重要意义。这些试点项目应在明确规定和预定标准下进行,并解决一些客观问题,如风险评估。与此同时,从早期阶段开始,对压裂作业进行长期监测并告知公众,将能够增强公众对压裂技术的信心。

 

主要参考文献

[1]  Hydraulic Fracturing: A technology under debate

http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Publikationen/Stellungnahmen/acatech_POS_EN_Hydraulic_Fracturing_eng_Web_small.pdf

[2]  acatech POSITION: Ein generelles Fracking-Verbot lässt sich wissenschaftlich nicht begründen

http://www.acatech.de/de/aktuelles-presse/presseinformationen-news/news-detail/artikel/acatech-position-ein-generelles-fracking-verbot-laesst-sich-wissenschaftlich-nicht-begruenden.html

赵纪东 编译

摘自:《科学研究动态监测快报——地球科学专辑》,2016年第14


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